空分装置高压蒸汽管道设计

 空分装置内用于透平的高压蒸汽管道， 由于输送介质的温度和压力高，管道造价昂贵； 管道设计时需要综合压损、 温降、 造价、 布置等方面进行综合考虑。 如何做好蒸汽管道的设计， 使蒸汽管道的安全性和经济性达到完美的统一， 直接关系到装置的建设投资和稳定运行。
1 布置简介

6 套空分装置呈 2 横 3 列布置， 各装置间的联系管廊为“Ш” 型布置， 根据装置总平面布置图， 高压蒸汽管道采用“三管制”配置方案， 每列两套空分装置共用一根母管供汽，管道管径随着输送蒸汽量的减少逐级缩径， 分别为 DN450 和DN350。
2 材质选择

管道材料应根据管道级别、 设计温度、 设计压力和介质特殊要求等设计条件， 以及材料的耐腐蚀性能、 加工工艺性能、 焊接性能和经济合理性等选用。

本设计中高压蒸汽管道操作压力（G） 为 11. 0MPa， 设计压力（G） 为 13. 2MPa， 操作温度 530℃， 设计温度 545℃；该参数下的蒸汽管道主要有 12Cr1MoVG 和 P91 两种材料可供选择， 以蒸汽管道的主要管径 DN450 为例对两种材料的主材费对比如下：

通过费用对比， 相比 12Cr1MoVG， 选用 P91 材质管道可节省高压蒸汽管道主材费约 16. 2%， 并且高温工况下 P91 的力学性能优于 12Cr1MoVG， 在保证管道流通能力不变的前提下， 可以选择壁厚较薄， 外径较小的管道规格， 在更小的空间达到补偿效果。 对节省建设投资和装置的可靠运行尤为重要。综合以上有利因素， 本装置高压蒸汽管道选用 P91 材质。

3 管道布置
3. 1 高压蒸汽主管的布置

高压蒸汽主管通常布置在全厂及装置内管廊上， 过热蒸汽在装置正常的运行过程中不易产生冷凝液， 为了便于在管线吹扫及暖管、 以及装置停车过程中凝结水的顺利排出， 避免产生水击， 影响管道寿命及装置安全， 全厂性蒸汽管道敷设应设不小于 0. 002 的坡度， 方向宜与蒸汽流向一致， 低点处设置排液。 管道的设计压力及设计温度较高， 对应波纹管膨胀节及球形补偿器的价格高昂且容易损坏失效， 在高压蒸汽管道中禁止使用； 高压蒸汽管道可通过改变管道自身走向满足自然补偿的要求， 常用的方法有设置“π ” 型或“L”型补偿器， 一般情况下， 高压蒸汽管道宜每隔 50m 设置一个“π ” 型补偿器， 在安装空间受限的部位也可采用冷紧或是两者相结合的方式满足管道柔性的要求。 高压蒸汽管道宜与其他规格蒸汽管道同层布置， 便于“π ” 型补偿器的统一规划、 集中设置。 对于空分装置而言， 需要设置多层管廊， 蒸汽管道宜布置在管廊的第二层， 与低温管道（液氮、 液氧）和可燃、 易爆（氧气） 管道、 电气和仪表桥架错层布置， 如必须同层布置时， 管道之间应用其他公用工程管道隔开并满足规范的间距要求； 同时考虑蒸汽管道在运行工况下的最大径向位移。

“π ” 型补偿器的设置常用有水平“π ” 型、 立式“π ”型、 斜接“π ” 型 3 种型式， 详见图 1。

水平“π ” 型补偿器的弯头数量较少， 有利于避免蒸汽管道产生水击， 但为了满足柔性要求， 需要更大的伸出臂长，且在设计前期须对管位布置综合规划， 管径大、 温度高等需要较大补偿量的管道宜布置在外侧， 反之布置在内侧； 斜接“π ” 型和立式“π ” 型补偿器可与管廊上其他 “π ” 型补偿器交错立体补偿， 可综合利用管廊空间， 但弯头使用数量增多， 管道阻力降增大， 且需要增设低点排液及高点放空，管道主材费用增加； 在设计过程中， 可根据不同的管道布置情况， 结合安全性和经济性， 选择合适的“π ” 型补偿器。
3. 2 排液设施的设置

本设计中的高压蒸汽为过热蒸汽（过热度＞200℃）， 为便于各阶段产生的凝液顺利排出， 主要有如下措施： 高压过热蒸汽在正常生产情况下不产生凝液， 仅在开停车及暖管过程中会产生凝液， 可设排液阀作为启动疏水， 不需要设置经常疏水设施。 水平敷设的过热蒸汽排液间隔： 装置内间隔≤160m， 装置外逆坡间隔≤200m， 装置外顺坡间隔≤300m；为确保管线暖管过程中产生的凝液快速排出、 缩短暖管开车准备时间， 在设计过程中可视装置情况适量缩短排液间隔。在立式“π ” 型补偿器、 斜接“π ” 型补偿器和管线改变走向往高点布置时， 在靠近上升弯头的水平管道的低点， 以及局部管道走向的液袋最低点， 应设置排液设施。
4 管托选用

隔热管托浇注料的抗压强度应满足应力计算荷载， 导热系数（一般取≤0. 15W/m•K） 满足工艺允许热损的要求， 并且满足隔热层外表面温度≤60℃。 依据应力计算报告， 为减小滑动架的水平摩擦力， 部分支架需在底部添加 PTFE 摩擦副（摩擦系数≤0. 1）， 摩擦副应要求管托供货商成套供货，在管托底板下部焊接抛光不锈钢板， 并提供内嵌式 PTFE 板。轴向位移较大的支架（尤其是靠近“π ” 型补偿器的支架），为避免管道运行时支架滑落， 应选用加长管托或偏置安装，选用偏置安装时应在设计文件中注明偏装方向及偏装量。

5 结语

在不同的石油化工装置中， 由于地理位置、 工厂布置、工艺条件及气候条件的不同， 高压蒸汽管道的设计也各有不同； 掌握高压蒸汽管道的设计要点， 在设计过程中， 工艺、配管及应力专业紧密配合， 使管道设计的安全性和经济性达到完美统一， 确保装置安稳长满优运行。